DE102008021365A1 - Verfahren zum Einbringen von Reagenzien in Mikrokanäle einer Analyseeinheit - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Einbringen von Reagenzien in Mikrokanäle einer Analyseeinheit, aufweisend folgende Verfahrensschritte: a) Bereitstellen einer Dispensionseinheit mit wenigstens einer Untereinheit, durch die Reagenzien dispensierbar sind, b) Bereitstellen einer Analyseeinheit, die wenigstens einen Mikrokanal aufweist, c) Bewegen der Dispensionseinheit entlang des wenigstens einen Mikrokanals und dabei d) Dispensieren der Reagenzien in den Mikrokanal.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbringen von Reagenzien in Mikrokanäle einer Analyseeinheit.
  • Die Bio- und Gentechnologie hat in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Eine Grundaufgabe in der Bio- und Gentechnologie ist der Nachweis von biologischen Molekülen wie DNA (Desoxyribonukleinsäure) oder RNA (Ribonukleinsäure), Proteinen, Polypeptiden, etc. Insbesondere Moleküle, in denen Erbgutinformation kodiert ist, sind für viele medizinische Anwendungen von großem Interesse. Durch ihren Nachweis, beispielsweise in einer Blutprobe eines Patienten, können Krankheitserreger nachgewiesen werden, was eine Diagnose für einen Arzt erleichtert. Die DNA ist eine Doppelhelix, die aus zwei vernetzten wendelförmigen Einzelketten, so genannten Halbsträngen, aufgebaut ist. Jeder dieser Halbstränge weist eine Rasensequenz auf, wobei durch die Reihenfolge der Basen (Adenin, Guanin, Thymin, Cytosin) die Erbinformation festgelegt ist. DNA-Halbstränge weisen die charakteristische Eigenschaft auf, sehr spezifisch nur mit ganz bestimmten anderen Molekülen eine Bindung einzugehen. Daher ist es für das Andocken eines DNA-Halbstrangs an einen anderen DNA-Halbstrang Voraussetzung, dass die jeweiligen Moleküle zueinander komplementär angeordnet sind.
  • Dieses von der Natur vorgegebene Prinzip kann zum selektiven Nachweis von Molekülen in einer zu untersuchenden Probe verwendet werden. Die Grundidee eines auf diesem Prinzip basierenden Biochip-Sensors besteht darin, dass auf einem Substrat aus einem geeigneten Material zunächst so genannte Fängermoleküle (Oligonukleotide), beispielsweise mittels Mikrodispensierung aufgebracht und immobilisiert werden, d. h. an der Oberfläche des Biochip-Sensors dauerhaft fixiert werden. In diesem Zusammenhang ist es bekannt, Bio-Moleküle mit Thiol-Gruppen (SH-Gruppen) an Gold-Oberflächen zu immobilisieren.
  • Ein entsprechender Biochip-Sensor mit einem Substrat und daran gebundenen Fängermolekülen, die beispielsweise auf einen bestimmten, nachzuweisenden DNA-Halbstrang sensitiv sind, wird üblicherweise zum Untersuchen einer Probe, meist in Form einer Flüssigkeit, auf das Vorhandensein des DNA-Halbstrangs verwendet werden. Hierzu ist die auf das Vorhandensein eines bestimmten DNA-Halbstrangs zu untersuchende Probe mit den immobilisierten Fängermolekülen in Wirkkontakt zu bringen. Sind ein Fängermolekül und ein zu untersuchender DNA-Halbstrang zueinander komplementär, so hybridisiert der DNA-Halbstrang an dem Fängermolekül, d. h. er wird daran gebunden. Wenn infolge dieser Bindung sich der Wert einer messtechnisch erfassbaren physikalischen Größe in charakteristischer Weise ändert, so kann dieser Wert gemessen werden und auf diese Weise das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines DNA-Halbstrangs in der untersuchten Probe festgestellt werden.
  • Das beschriebene Prinzip ist nicht auf den Nachweis von DNA-Halbsträngen beschränkt. Vielmehr sind weitere Kombinationen von auf dem Substrat aufgebrachten Fängermolekülen und zu erfassenden Molekülen in einer zu untersuchenden Probe bekannt. So können beispielsweise Nukleinsäuren als Fängermoleküle für Peptide oder Proteine, die nukleinsäurespezifisch binden, verwendet werden. Weiterhin bekannt ist, Peptide oder Proteine als Fängermoleküle für andere, das Fängerpeptid bzw. das Fängerprotein bindende Proteine oder Peptide zu verwenden.
  • Zum Nachweis der erfolgten Bindung zwischen dem auf dem Substrat aufgebrachten Fängermolekül und dem in der zu untersuchenden Probe vorhandenen, zu erfassenden Molekül werden häufig optische oder elektronische Nachweisverfahren verwendet. Solche Nachweisverfahren erlangen zunehmende Bedeutung bei der industriellen Identifikation und Bewertung von neuen Medikamenten organischer oder gentechnologischer Herkunft. Diese Nachweisverfahren eröffnen vielfältige Anwendungen bei spielsweise in der medizinischen Diagnostik, in der Pharmaindustrie, in der chemischen Industrie, in der Lebensmittelanalytik, sowie in der Umwelt- und Lebensmitteltechnik.
  • Zur Durchführung einer Analyse der oben beschriebenen Art, beispielsweise zum Nachweis einer bestimmten DNA, sind im Allgemeinen mehrere Aufbereitungsschritte erforderlich, mittels derer in der Probe enthaltene DNA extrahiert wird. Im Folgenden wird beispielhaft auf den Fall der Analyse einer Blutprobe eines Patienten eingegangen, die Ausführungen sind aber auch auf andere Analyseverfahren übertragbar.
  • Die zur Analyse durchzuführenden Aufbereitungsschritte umfassen eine Vielzahl biochemischer Vorgänge. So müssen zunächst aus der Blutprobe die zu analysierenden Bestandteile, beispielsweise Bakterien oder Viren, extrahiert und die restliche Blutprobe entsorgt werden. Durch eine so genannte Lyse wird mittels einer Pufferlösung die umgebende Hülle der Viren oder Bakterien zerstört und so die später zu analysierende DNA freigesetzt. Da im Allgemeinen für einen Nachweis der DNA zu wenige Exemplare der DNA in der Blutprobe vorliegen, findet mittels einer bekannten Reaktion, der so genannten Polymerase-Kettenreaktion (PCR), eine Vervielfältigung der DNA statt. Im weiteren Verlauf der Analyse sind verschiedene Möglichkeiten bekannt, die DNA und damit den Krankheitserreger nachzuweisen.
  • Die verwendeten Biochips basieren in ihrer einfachsten Form auf einem Glassubstrat, auf dem die Fängermoleküle immobilisiert sind. Diese oftmals synthetisch hergestellten kurzen Nukleinsäurefragmente sind von ihrer Sequenz her wenigstens teilweise komplementär zur Sequenz der nachzuweisenden Nukleinsäure, so dass die Bindung hochspezifisch ist. Eine Bindung anderer Nukleinsäuren als der nachzuweisenden muss in jedem Fall vermieden werden, damit das Messergebnis nicht falsch positiv ist. Der eigentliche Nachweis der Nukleinsäure erfolgt in vielen Verfahren über Fluoreszenz-Verfahren, bei denen ein Fluoreszenzfarbstoff an die nachzuweisende Nuklein säure angelagert wird, beispielsweise über eine Biotin-Streptavidin-Bindung. Nach spezifischer Hybridisierung der Nukleinsäure mit den Fängermolekülen wird der Biochip gespült, so dass nicht gebundenes Material entfernt wird. In der Lösung befinden sich folglich keine fluoreszierenden Farbstoffe mehr. Mittels Anregung der Farbstoffe lässt sich mit einer CCD-Kamera die Fluoreszenz beobachten, wodurch ein Nachweis ermöglicht wird.
  • Ein Vorteil der Biochips ist die Multiplexfähigkeit des Nachweises. So lassen sich auf verschiedenen Positionen des Biochips verschiedene Sorten von Fängermolekülen immobilisieren, die gegen verschiedene nachzuweisende Nukleinsäuren gerichtet sind. Der Nachweis lässt sich dann über die ortsaufgelöste Messung der Fluoreszenz durchführen. Somit lassen sich auch mehrere Nachweise von Nukleinsäuren in einem Verfahren durchführen.
  • Da die Anzahl der vorhandenen Kopien der Nukleinsäuren im Allgemeinen nicht ausreicht, um einen Nachweis direkt zu ermöglichen, werden die Nukleinsäuren vor dem Nachweis vervielfältigt (amplifiziert). Dies kann beispielsweise mittels einer Poymerase-Kettenreaktion (PCR, Polymerase Chain Reaction) erfolgen. Die PCR basiert auf der Replikation von Nukleinsäuren mit Hilfe von thermostabile DNA-Polymerasen. Hierbei wird ein Paar von Oligonukleotid-Primern (einzelsträngige Oligonukleotide) mit der zu amplifizierenden Nukleinsäure in Kontakt gebracht. Die Primer werden so gewählt, dass sie an den beiden Enden eines zu amplifizierenden Fragments auf den komplementären Strängen binden. Bei der Elongation wird dann die Primer in der 3'-Richtung entlang des jeweiligen Zielnukleinsäurestrangs elongiert (Vorwärts- und Rückwärts-Primer). Vorwärts- und Rückwärts-Primer werden alternativ auch als Sense- oder Antisense-Primer bezeichnet. Auf diese Weise kann das zwischen den zu den Primern komplementären Stellen auf der Zielnukleinsäure liegende Stück amplifiziert werden. Für nachfolgende Nachweisreaktionen werden die PCR Produkte vor teilhafterweise von Primern, Nukleotiden und anderen störenden Komponenten des PCR-Ansatzes abgetrennt.
  • Der PCR-Ablauf umfasst mehrere Thermozyklen mit jeweils drei Schritten: Zunächst wird die Probe erhitzt (z. B. auf 94°C), um die Stränge der in der Probe enthaltenen doppelsträngigen Ziel-DNA zu trennen (Denaturierung). Daraufhin wird die Temperatur gesenkt (z. B. auf 45–60°C), so dass die Primer sich an die komplementären Bereiche der nunmehr einzelsträngigen DNA anlagern können (Annealing). Im letzten Schritt werden die an den Einzelstrang gebundene Primer durch die DNA-Polymerase entsprechend der Information des DNA-Templatestranges in 3'-Richtung verlängert, wobei die entsprechenden Nucleotidtriphosphate in der Lösung als Bausteine verwendet werden (Elongation, z. B. bei 72°C). Dieser Zyklus wird während einer PCR typischerweise ca. 15–50 mal durchlaufen. Die angegebenen Temperaturen dienen lediglich als Beispielwerte und sind auf die jeweilig spezifisch auszuführende PCR abzustimmen.
  • Somit lässt sich von wenigen vorliegenden Exemplaren einer DNA (oder im Allgemeinen einer Nukleinsäure) binnen kürzester Zeit eine Vielzahl von Kopien herstellen, deren Konzentration zum anschließenden qualitativen Nachweis der DNA bzw. Nukleinsäure in der Probe ausreicht. Beispielsweise wird nach 20-fachem Durchlaufen der PCR (typischer Zeitbedarf 20 bis 40 Minuten) die theoretisch 220-fache, also die etwa 106-fache Mange der ursprünglich eingesetzten Nukleinsäure erhalten. Die PCR bietet gleichzeitig die Möglichkeit, in das resultierende PCR-Produkt eine Markierung (Label) einzubauen, das den Nachweis ermöglicht. So lassen sich beispielsweise mit Biotin markierte PCR-Primer oder Nukleotidtriphosphate verwenden, was dazu führt dass die synthetisierten PCR-Produkte biotinyliert sind. Das Biotin ist nach der Anlagerung des PCR-Produkts an die immobilisierten Fängermoleküle folglich ebenfall auf dem Biochip an der entsprechenden Position immobilisiert. An das Biotin lassen sich dann in einem weiteren Schritt mit Streptavidin verbundene Fluoreszenz-Farbstoffe binden, die dann letztlich den Nachweis der Nukleinsäure bzw. ihres PCR-Produkts erlauben. Alternativ zum Fluoreszenz-Farbstoff lassen sich andere Nachweissysteme nutzen, die beispielsweise auf elektrochemischer Detektion beruhen.
  • Als Fängermoleküle können grundsätzlich sämtliche in der Affinitätschromatographie verwendeten Liganden gekoppelt werden. Beispiele hierfür sind: Protein A, Protein G, Protein L, Streptavidin, Biotin, Heparin, Antikörper, Serum Albumin, Gelatine, Lysin, Concanavalin A, Oligosaccharide, Oligonukleotide, Polynukleotide, proteinbindende Metallionen, Lektine, Aptamere oder Enzyme.
  • Weit verbreitet sind z. B. in der medizinischen Diagnostik und im Forschungslabor ELISA-Tests (Enzym-Linked ImmunoSorbent Assay). Auch für Anwendungen auf dem Gebiet des DNA-Chips werden Verfahren mit Enzymmarkern bei einer bekannten Methode des Redoxcyclings eingesetzt.
  • Bei der letztgenannten Methode wird der zu untersuchenden DNA beispielsweise ein Biotin-Molekül angehängt. Nach erfolgter Hybridisierung mit den Oligonukleotiden des Biochips wird ein Streptavidin verbundenes Label hinzugefügt. Streptavidin und die Routinen in den eine Bindung ein, so dass das Label mit dem hybridisierten Komplex aus Oligonukleotid und nachzuweisende DNA verbunden ist. Nach einem Waschvorgang, in dem nicht gebundenes Label von der Biochip-Oberfläche entfernt wird, ist nur im Falle eines Bindungsereignisses zwischen nachzuweisender DNA und Oligonukleotid ein Label oberhalb des Biochips vorhanden. Durch den Nachweis des Labels kann also auf das vorliegenden der nachzuweisenden DNA in der ursprünglichen Probe geschlossen werden.
  • Zum Nachweis des Labels wird ein Substrat hinzugefügt, durch das das Label vom Streptavidin gelöst wird. Es liegt hiernach in Lösung vor.
  • In bestimmten Fällen ist das Redoxverhalten diffusionsbestimmt. Ein Redoxpaar ist p-Aminophenol/Chinonimin. Am entsprechenden Redoxprozess sind 2 Elektronen und 2 H+-Ionen beteiligt. Dieses System kommt z. B. bei Enzym-gekoppelten Nachweisreaktionen zum Einsatz. Dabei wird das Enzym "Alkalische Phosphatase" als Label- bzw. Verstärkungs-Substanz eingesetzt. Alkalische Phosphatase ist in der Lage, p-Aminophenyl-Phosphat in p-Aminophenol und Phosphat zu spalten. Das entstehende p-Aminophenol wird am Elektroden-System oxidiert bzw. das Redoxpaar p-Aminophenol/Chinonimin zyklisiert.
  • Die Höhe des letztlich zur Verfügung stehenden Signals hängt insbesondere von der Anzahl der gebildeten Fängermolekül-Zielmolekül-Komplexe ab. Daher ist es insbesondere wichtig, die Zahl der immobilisierten Fängermoleküle zu maximieren. Durch eine PCR lassen sich ausreichend Zielmoleküle für einen Nachweis bereitstellen, sofern ausreichend Fängermoleküle auf dem Biochip immobilisiert sind. Die Qualität des generierten sie Signals hängt maßgeblich von der Homogenität und Reproduzierbarkeit der Immobilisierung der Fängermoleküle während des Herstellungsprozesses des Biochips ab. Daher spielt Qualitätskontrolle eine wichtige Rolle bei der Herstellung um auch in sensitiver Biochips.
  • Zur Durchführung von biochemischen Analysen unter Einsatz von Biochips werden insbesondere bei Point-of-Care-Anwendungen bevorzugt integrierte Systeme eingesetzt. Diese bestehen beispielsweise aus einer einmal verwendbaren Karte (Cartridge) und einem Steuergerät. Es ist wünschenswert, die Integration derart zu gestalten, dass sämtliche Aufbereitungs- und Nachweisschritte innerhalb der Cartridge voll automatisch ablaufen. So kann beispielsweise ein einem Patienten entnommener Blutstropfen in die Cartridge eingefügt werden, woraufhin nach Einschub in das Steuergerät aus dem Vollblut das nachzuweisende Molekül (DNA, Protein, ...) extrahiert und nachgewiesen wird. Dazu sind in der Cartridge im Allgemeinen zahlreiche Kanäle vorgesehen, in denen die einzelnen Prozessschritte ablaufen. Zur Durchführung der Prozessschritte sind in der Cartridge Reagenzien zu lagern. Dies erfolgt vorzugsweise in Form getrockneter Reagenzien, da diese eine längere Haltbarkeit als Flüssig-Reagenzien aufweisen. Es ist ebenfalls möglich, Reagenzien im Steuergerät vorzuhalten, und diese bei Bedarf in die Cartridge zu leiten. Hierdurch wird jedoch das Steuergerät komplexer und die Flexibilität des Geräts geringer. Bei Einsatz von Cartridges mit Trockenreagenzien ist im Steuergerät lediglich Wasser vorzuhalten, das zum Lösen der getrockneten Reagenzien und zur Steuerung der Mikrofluidik in der Cartridge verwendet werden kann.
  • Das Einbringen von Reagenzien in Mikrokanäle einer Cartridge (Spotten) ist mit Geräten möglich, die beispielsweise ähnlich zu einem Nadel- oder Tintenstrahldrucker arbeiten. Dabei werden über eine Kanüle Reagenzien im flüssigen Zustand in die Mikrokanäle der Cartridge getropft. Anschließend werden die Reagenzien getrocknet, so dass eine verlängerte Lagerungszeit möglich wird. Dieser Prozess ist bei Cartridges mit einer Vielzahl von Mikrokanälen zeitaufwändig und erfordert eine hohe Anzahl von Prozessschritten. Dies wiederum erhöht die Kosten der Cartridge und damit der medizinischen Untersuchung, die mittels der Cartridge durchgeführt werden soll. Insbesondere im Fall getrockneter Reagenzien erhöht sich die Bearbeitungszeit, da nach jedem Spott-Vorgang die aufgebrachten Reagenzien trocknen müssen, bevor weitere Reagenzien aufgebracht werden können.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, dass eine zeiteffiziente Einbringung von Reagenzien in Mikrokanäle einer Analyseeinheit ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird durch Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.
  • Es wird ein Verfahren zum Einbringen von Reagenzien in Mikrokanäle einer Analyseeinheit angegeben, aufweisend folgende Verfahrensschritte:
    • – Bereitstellen einer Dispensionseinheit mit wenigstens einer Untereinheit, durch die Reagenzien dispensierbar sind,
    • – Bereitstellen einer Analyseeinheit, die wenigstens einen Mikrokanal aufweist,
    • – Bewegen der Dispensionseinheit entlang des wenigstens einen Mikrokanals und dabei
    • – Dispensieren der Reagenzien in den Mikrokanal.
  • Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, die einzubringenden Reagenzien kontinuierlich in den Mikrokanal zu dispensieren. Ein schrittweises Dispensieren der Reagenzien ist nicht erforderlich.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst die Dispensionseinheit mehrere Untereinheiten zum Dispensieren der Reagenzien, die derart angeordnet sind, dass mehrere parallel verlaufende Mikrokanäle der Analyseeinheit parallel mit Reagenzien bestückbar sind, und bei dem das Dispensieren der Reagenzien in die parallel angeordneten Mikrokanäle gleichzeitig erfolgt. Dieses Verfahren mit der entsprechend ausgebildeten Dispensionseinheit bietet insbesondere den Vorteil, dass parallel laufende Kanäle der Analyseeinheit gleichzeitig innerhalb eines Prozessschritts mit verschiedenen Reagenzien versehen werden können. Dies reduziert die Herstellungszeit für die Analyseeinheit beträchtlich.
  • Vorteilhaft ist eine Ausgestaltung der Erfindung derart, dass die Untereinheiten der Dispensionseinheit wenigstens teilweise so hintereinander angeordnet sind, dass mehrere Untereinheiten gleichzeitig verschiedene Abschnitte eines Mikrokanals mit Reagenzien versehen können. Hierdurch wird die Parallelisierung des Dispensierens weiter erhöht, da nun jede Untereinheit nur einen Teil des ihr zugeordneten Mikrokanals mit Reagenzien versehen muss.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen: Es zeigen:
  • 1 eine Cartridge und einem Spotter und
  • 2 den Spotter bei der Aufbringung von Reagenzien in die Cartridge.
  • In 1 sind schematisch eine Cartridge 101 und ein Spotter 103 dargestellt. Die Cartridge 101 umfasst eine Chipkarten-förmige Plastikkarte 105 in der mehrere Mikrokanäle 107 ausgebildet sind. Die Mikrokanäle 107 sind der besseren Übersicht halber lediglich grade dargestellt. Im Allgemeinen werden diese jedoch eine Vielzahl von Kurven und Windungen aufweisen. Der Spotter 103 umfasst eine Halterung 109 und eine Vielzahl von Kanülen 111. Die Kanülen 111 sind in einer regelmäßigen Matrixstruktur angeordnet. Hier nicht dargestellt ist eine Verbindung der Kanülen 111 zu mehreren Reagenzien-Reservoiren, durch die Reagenzien in die Kanülen leitbar sind, so dass sie am Ende der Kanülen 111 austreten können.
  • In 2 ist der Spotter 103 oberhalb der Cartridge 101 angeordnet, so dass ein Auftrag von Reagenzien in die Mikrokanäle 107 erfolgen kann. Dazu wird der Spotter 103 mit den Kanülen 111 entlang der Mikrokanäle 107 bewegt. Dabei werden Reagenzien 113 an vorbestimmte Positionen in den jeweiligen Mikrokanal 107 eingebracht. Durch die regelmäßige Anordnung der Vielzahl von Kanülen 111 kann die Einbringung der Reagenzien 113 in die Mikrokanäle 107 in einem Durchgang erfolgen. Die Trocknung der Reagenzien kann in einem nachgelagerten Schritt erfolgen, so dass ein kontinuierliches einbringen der Reagenzien in die Mikrokanäle 107 möglich ist.

Claims (7)

  1. Verfahren zum Einbringen von Reagenzien in Mikrokanäle einer Analyseeinheit, aufweisend folgende Verfahrensschritte: a) Bereitstellen einer Dispensionseinheit mit wenigstens einer Untereinheit, durch die Reagenzien dispensierbar sind, b) Bereitstellen einer Analyseeinheit, die wenigstens einen Mikrokanal aufweist, c) Bewegen der Dispensionseinheit entlang des wenigstens einen Mikrokanals und dabei d) Dispensieren der Reagenzien in den Mikrokanal.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Dispensionseinheit mehrere Untereinheiten zum Dispensieren der Reagenzien umfasst, die derart angeordnet sind, dass mehrere parallel verlaufende Mikrokanäle der Analyseeinheit parallel mit Reagenzien bestückbar sind, und bei dem das Dispensieren der Reagenzien in die parallel angeordneten Mikrokanäle gleichzeitig erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Untereinheiten der Dispensionseinheit wenigstens teilweise so hintereinander angeordnet sind, dass mehrere Untereinheiten gleichzeitig verschiedene Abschnitte eines Mikrokanals mit Reagenzien versehen können.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem jede der Untereinheiten derart ausgebildet ist, dass durch sie verschiedene Reagenzien dispensierbar sind.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem jede der Untereinheiten derart ausgebildet ist, dass nach dem Dispensieren einer Reagenz eine Spülung erfolgen kann.
  6. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, bei dem jede der Untereinheiten eine Kanüle aufweist, die mit einem Reagenzreservoir verbunden ist.
  7. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die Reagenzien nach dem Dispensieren getrocknet werden.
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